可拆解變壓器的拓展應(yīng)用

姚晦

摘 要：本文主要分析了利用可拆變壓器驗(yàn)證楞次定律、驗(yàn)證電磁感應(yīng)定律、定量研究E與ΔΦ/Δt的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：可拆變壓器；電壓表；靈敏電流計(jì)；楞次定律

電磁感應(yīng)定律 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

教學(xué)用的J2423型可拆變壓器主要包括兩個(gè)線圈和鐵芯，我們通常是用它來進(jìn)行變壓器線圈的初、次級(jí)間電壓、電流與匝數(shù)關(guān)系的定量演示、跳圈實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)距離輸電實(shí)驗(yàn)、阻尼擺感應(yīng)燈等實(shí)驗(yàn)。筆者在多年的教學(xué)工作中還探索出可拆變壓器的一些重要的拓展應(yīng)用，簡(jiǎn)述如下：

一、 利用可拆變壓器驗(yàn)證楞次定律

我們知道，俄國(guó)物理學(xué)家楞次在總結(jié)了大量電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，這就是著名的楞次定律。

在課本的實(shí)驗(yàn)中是利用條形磁鐵的一極插入或拔出線圈，使穿過該線圈中的磁通量增加或減少來使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而探究楞次定律。筆者利用可拆變壓器可從另一角度很方便地驗(yàn)證楞次定律。

（一） 實(shí)驗(yàn)器材

可拆變壓器、選兩個(gè)相同的線圈，分別作為原副線圈、兩節(jié)干電池、滑動(dòng)變阻器（最大阻值20Ω）、開關(guān)、靈敏電流計(jì)、直流電流表、導(dǎo)線若干。

（二） 實(shí)驗(yàn)過程

①按圖1連接好電路，把滑動(dòng)變阻器移到阻值最大處，閉合開關(guān)，此時(shí)電流表指針向右偏轉(zhuǎn)（說明電流從變壓器的“0”接線柱流入時(shí)，電流表的指針是向右偏的），同時(shí)可觀察到靈敏電流計(jì)的指針也會(huì)向右偏轉(zhuǎn)一下后回到零位置，說明在副線圈中電流會(huì)產(chǎn)生瞬間的感應(yīng)電流，電流方向也從變壓器的“0”接線柱流入。

②把滑動(dòng)變阻器的阻值減少，可觀察到電流表的示數(shù)增大，同時(shí)靈敏電流計(jì)的指針會(huì)向右偏移，說明副線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向從“0”接線柱流入。

③把滑動(dòng)變阻器的阻值增大，可觀察到電流表的示數(shù)減小，同時(shí)靈敏電流計(jì)的指針會(huì)向左偏轉(zhuǎn)，說明副線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向從“100”接線柱流入。

（三） 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)電流流向和線圈繞向，利用安培定則在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中判斷出原副線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是向上的，此磁場(chǎng)通過鐵芯傳到副線圈后的磁場(chǎng)方向是向下的。

1. 在步驟①、②中，通過原線圈的電流增加，由它引起的磁通量也增加，從靈敏電流計(jì)指針向右偏轉(zhuǎn)，說明副線圈中電流方向也是從“0”接線柱流入，與原線圈電流方向一致，說明副線圈感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是向上的（因?yàn)閮蓚€(gè)線圈是相同的），與原線圈在此產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，即當(dāng)原磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反，阻礙原磁通量增加。

2. 在步驟③中，通過原線圈的電流減少，由它產(chǎn)生的磁通量也減少，根據(jù)靈敏電流計(jì)指針向左偏轉(zhuǎn)，說明副線圈中感應(yīng)電流方向是從“100”接線柱流入，從“0”接線柱流出，可判斷出副線圈中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是向下的，與原線圈電流在此產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同，即當(dāng)原磁通量減弱時(shí)，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同，阻礙原磁通量減弱。

通過上述簡(jiǎn)單直觀的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

二、 利用可拆變壓器驗(yàn)證電磁感應(yīng)定律

電磁感應(yīng)定律，它揭示了電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小與穿過線圈的磁通量的變化率ΔΦ/Δt成正比，與線圈的匝數(shù)n成正比的規(guī)律。

在教材中通過用條形磁鐵插入、拔出串接了靈敏電流計(jì)的閉合線圈，分析插入、拔出的磁鐵的快慢與靈敏電流計(jì)指針擺動(dòng)的幅度的關(guān)系，得出插入或拔出磁鐵越快，磁通量的變化率越大，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，從而得出了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量的變化率成正比的關(guān)系，這種結(jié)論的得出，筆者認(rèn)為可信度不是很高，理由是根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能得出磁通量的變化率ΔΦ/Δt與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E有正相關(guān)的關(guān)系，但不一定是成正比的關(guān)系，要得出成正比的關(guān)系，還需要用更有說服力的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。筆者在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)了一個(gè)嶄新的實(shí)驗(yàn)，可以定量驗(yàn)證電磁感應(yīng)定律。

（一） 驗(yàn)證E與ΔΦ/Δt成正比

1. 定性研究E與ΔΦ/Δt的關(guān)系

①實(shí)驗(yàn)器材：學(xué)生電源、可拆變壓器、數(shù)字式交流電壓表、小燈泡、開關(guān)、導(dǎo)線若干。

②按圖2接好電路，接通學(xué)生電源，當(dāng)把可拆變壓器的橫條鐵芯慢慢向左移動(dòng)時(shí)，燈泡慢慢變亮，電壓表的示數(shù)慢慢增大。當(dāng)把橫條鐵芯慢慢向右移動(dòng)時(shí)，則燈泡會(huì)變暗，電壓表示數(shù)會(huì)慢慢變小，這是什么原因呢？根據(jù)變壓器的工作原理可知，交流電通過原線圈時(shí)，鐵芯中將產(chǎn)生峰值穩(wěn)定且交變的ΔΦ/Δt，如果水平抽出橫條鐵芯時(shí)，整個(gè)“口”字型鐵芯不再完全閉合，部分磁感線外泄，造成鐵芯中的ΔΦ/Δt變小，從而影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的變化，通過這一實(shí)驗(yàn)可直觀地顯示出ΔΦ/Δt變小（大）、E也變小（大），但還不能確定是否成正比。還需要下面的定量研究。

2. 定量研究E與ΔΦ/Δt的關(guān)系

把兩個(gè)可拆變壓器組成一個(gè)“日”字型變壓器，如圖3所示，筆者在這個(gè)變壓器的中間兩根鐵芯處用漆包線繞了一個(gè)80匝線圈作為原線圈，保留原變壓器的線圈作為副線圈（400匝）。把原線圈與學(xué)生電源相連，電壓調(diào)至交流4 V（實(shí)測(cè)4.1 V），把副線圈與數(shù)字式交流電壓表相接，把左邊變壓器的橫條鐵芯固定好，右邊的鐵芯拆除，接通電源，此時(shí)電壓表示數(shù)為20.3 V。再把右邊的橫條鐵芯裝回變壓器并用固定螺旋旋緊（注意：一定要旋緊鐵芯固定螺旋，否則有漏磁，實(shí)驗(yàn)誤差會(huì)很大），此時(shí)電壓表的示數(shù)立即變?yōu)?0.3 V，這是為何呢？當(dāng)右邊的橫條鐵芯拆掉后，原線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)全部傳到左邊的鐵芯中。當(dāng)把右邊的橫條鐵芯重新裝回時(shí)，原線圈中的磁場(chǎng)有一半傳到了右邊鐵芯中，只有一半的磁場(chǎng)傳到左邊的鐵芯中，造成ΔΦ/Δt減半，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E也剛好減半，綜合上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)就驗(yàn)證了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E不僅隨磁通量的變化率ΔΦ/Δt增大而增大，而且是成正比的。

（二） 定量研究E與n成正比的關(guān)系

1. 實(shí)驗(yàn)器材

學(xué)生電源、可拆變壓器、交流電壓表、滑動(dòng)變阻器

2. 按圖4接好實(shí)驗(yàn)器材，把原線圈的“0”與“400”接入學(xué)生電源的交流電壓10 V擋，使副線圈的匝數(shù)從少到多變化，記下不同的匝數(shù)n所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的示數(shù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著n增加，E也增加且成正比例的增加。

通過對(duì)可拆變壓器的創(chuàng)新應(yīng)用，既加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)楞次定律和電磁感應(yīng)定律的理解，又提高了學(xué)生的觀察能力、思維能力，更激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的興趣，點(diǎn)燃了學(xué)生心中創(chuàng)新的火苗，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造發(fā)明能力。endprint